什么是 UWB？

大家好，這里是射頻學(xué)堂。

我們做射頻設(shè)計(jì)的最怕什么呢？最怕寬帶，尤其是超寬帶。因?yàn)槲覀兊纳漕l基本上都是和波長(zhǎng)相關(guān)的，尤其是在阻抗匹配上，都是在比較窄的頻帶內(nèi)玩的。一旦遇到寬帶，頭就大了，尤其是看到超寬帶。

今天我們一起來直面超寬帶 UWB。

什么是超寬帶

超寬帶 UWB 是一種無線通信技術(shù)，和我們之前講到過的藍(lán)牙 BLE，Wifi 一樣，是一種近距離通信技術(shù)。

為什么叫超寬帶呢？這里有兩個(gè)主要原因，第一是因?yàn)樗目捎妙l譜帶寬確實(shí)太寬了，F(xiàn)CC 分配給它的頻帶從 3.1GHz 到 10.6GHz，總共 7.5GHz 的可用頻譜帶寬，相對(duì)帶寬超過 100%。第二是它的載波帶寬也比較寬，達(dá)到了 500MHz。

無論它的 OBW 還是 CBW，都達(dá)到了超級(jí)寬的水平，所以叫做超寬帶 UWB 也確實(shí)是實(shí)至名歸。

也是基于此，在 1989 年的時(shí)候，這種無線通信技術(shù)被美國(guó)國(guó)防部命名為“UWB”。美國(guó)國(guó)防部管的可真寬，無線通信技術(shù)都需要國(guó)防部來題名，這也反映了我們通信發(fā)展的基本事實(shí)，軍事應(yīng)用要先于民用，相控陣?yán)走_(dá)的 MIMO 數(shù)要甩 5G Massive-MIMO 好幾條街。

采自網(wǎng)絡(luò)搜索的兩張?zhí)炀€對(duì)比圖。

超寬帶 UWB 有什么好處呢？

超寬帶是很多通信人的夢(mèng)想，因?yàn)轭l率帶寬意味著信道容量，頻帶越寬，無線通信的容量就越大。這是信息論大神香農(nóng)給我們留下的珍貴財(cái)富 —— 香農(nóng)定理。在給定信噪比情況下，信道容量 C 和帶寬 B 成正比（下圖中最上面的公式就是香農(nóng)定理）。

所以呢，UWB 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是超級(jí)牛逼的信道容量。

同樣的，根據(jù)香農(nóng)定理的公式，我們可以得到 UWB 的第二個(gè)好處，在一定的信道容量下，超寬帶 UWB 可以接受比較差的信噪比 SNR。

另外，在相同載波功率情況下，帶寬越寬，功率譜密度也就越低?；诘谝粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)CC 索性就給超寬帶 UWB 通信限定了一個(gè)很低的 EIRP 要求，小于-41.3dBM / MHz。

-41.3dBm 是一個(gè)什么樣的功率量級(jí)呢，我們換算成毫瓦的格式大概是 0.0000741310241 mW，這么小的功率對(duì)人體健康的影響簡(jiǎn)直可以忽略不記，對(duì)比我們的手機(jī)動(dòng)輒 0.1W-2W 的輻射功率來說，簡(jiǎn)直不要太環(huán)保啊。

輻射功率低，也就意味著 UWB 的功耗極小，如果手機(jī)也到這個(gè)水平，那就再也不用擔(dān)心給手機(jī)充電了?？上н@種低功率通信，也就只能用在近距離無線通信上，一般通信距離小于 10 米。

所以在通信領(lǐng)域，十全十美的技術(shù)可能真的沒有。下表是 UWB 和 Wifi，BLE，zigbee 等短距離無線通信技術(shù)的一些參數(shù)對(duì)比，合適的技術(shù)需要用在合適的場(chǎng)景才完美。

這么小的功率量級(jí)還有一個(gè)好處就是對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾也很小，所以可以和很多大功率通信技術(shù)共存，比如現(xiàn)在的 5G NR 在 3.5GHz 左右有多個(gè)比較重要的頻段，還有 wifi 的 5.8GHz。當(dāng)然安全起見，F(xiàn)CC 也規(guī)定了全頻譜的干擾功率等級(jí)，如下圖所示，分為室內(nèi)和室外，僅在低于 960MHz 和 3.1GHz 到 10.6GHz 的頻率范圍內(nèi)要求低于-41.3dBm / MHz，其他頻段有更嚴(yán)格的功率要求。

這樣，困擾我很多年的問題終于解決了，憑什么 UWB 能占用這么寬的頻譜資源？就憑人家功率低啊。

功率低就可以隨心所欲了嗎？No！UWB 還有一個(gè)重要的技術(shù)，就是脈沖調(diào)制。我們?cè)诮榻B信號(hào)調(diào)制的時(shí)候（鏈接），講到我們都喜歡用正弦波作為載波對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。但是 UWB 信號(hào)是用一個(gè)具有很陡的上升和下降的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使得信號(hào)具有比較寬的頻譜特征。

下圖給出了 FM 調(diào)制和脈沖調(diào)制的對(duì)比，正是這個(gè)脈沖調(diào)制使得 UWB 信號(hào)能夠工作在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)。其實(shí)在早期，UWB 技術(shù)的名字就叫作脈沖無線電 Impulse Radio，1989 年才擁有了現(xiàn)在的名字。

UWB 的脈沖陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環(huán)境中，也很容易識(shí)別。脈沖調(diào)制具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力，通過多個(gè)路徑到達(dá)接收器的無線電信號(hào)在 IR-UWB 系統(tǒng)里很容易與主信號(hào)區(qū)分開來。

并且脈沖的寬度很窄，為納秒級(jí)，這就決定了超寬帶技術(shù)超高的精度。

因此超寬帶 UWB 技術(shù)具有傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，輻射小功耗低，精度高等優(yōu)點(diǎn)。

超寬帶 UWB 的應(yīng)用

超寬帶技術(shù)自上世紀(jì) 60 年代被提出以后，在軍事領(lǐng)域就得到了廣泛的應(yīng)用，比如：UWB 雷達(dá)，UWB L PI/ D 無線內(nèi)通系統(tǒng) (預(yù)警機(jī)、艦船等)，戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡(luò)的 PL I/ D 電臺(tái)，警戒雷達(dá)，UAV / UGV 數(shù)據(jù)鏈，探測(cè)地雷，檢測(cè)地下埋藏的軍事目標(biāo)或以葉簇偽裝的物體無線通信系統(tǒng)方面

在民用領(lǐng)域，真正進(jìn)入到我們的視野是蘋果公司在 iphone11 上推出的空間感知能力 Spatial Awareness。利用 UWB 技術(shù)的超高精度定位能力，提高了手機(jī)的定位精度，并且能夠感知周圍手機(jī)的準(zhǔn)確位置。

緊接著，小米也推出了具備 UWB 技術(shù)的手機(jī) ——“一指連”，基于這項(xiàng)“一指連”技術(shù)，手機(jī)和智能設(shè)備將具備空間感知能力，猶如“室內(nèi) GPS”。當(dāng)手機(jī)指向智能設(shè)備，控制卡片就能自動(dòng)彈出，能夠直接進(jìn)行操控。